Das Luftansaugsystem besteht aus
- Pumpe,
- Rohr mit Filterhalterung und
- Verbindungsschlauch zwischen Pumpe und Rohr
Zusätzlich wichtig:
- Messgerät für Luftdurchsatz
Pumpe:
Als Pumpe können 12 V-Luftpumpen vom Typ KOGE KPM27H-12B5, 12V- verwendet werden. Diese haben Ansaugleistungen von ca. 1-2 l/min bei einem Strom von ca. 200 mA. Ich habe eine gebrauchte 12 V Luftpumpe, die eigentlich nur als Kompressor gedacht war, von PollinElectronic für 1,50 € verwendet und konnte sie mit geringfügigen Änderungen auch für den Saugbetrieb verwenden. Fast baugleiche neue Pumpen für Saug- und Druckbetrieb gibt es aber auch schon für 4 – 5 €.
Bei dem geringen Filterdurchmesser von ca. 5 mm (viel größer ist bei der Detektorfläche auch nicht sinnvoll) ist bereits ein Luftdurchsatz von 0,25 – 0,5 l/min ausreichend. Bei dem geringen Filterdurchmesser ist auch zu empfehlen, mit einem Luftdurchsatz in dieser Größenordnung zu arbeiten. Dazu muss die Spannung, bei der die Pumpe den angestrebten Luftdurchsatz erzielt, experimentell ermittelt werden. Das könnten so ca. 6 V sein. Über einen separaten Spannungsregler kann man aus der Betriebsspannung (9 – 12 V) die Versorgungsspannung zum Pumpenbetrieb bereitstellen. Ich habe dafür einen Baustein L7806CV mit Kühlkörper verwendet.
Falls nur Radonfolgeprodukte gemessen werden sollen, kann die Pumpe direkt über das Netzteil (und Spannungsregler) betrieben werden. Für die getrennte Messung von Radon- und Thoronfolgeprodukten ist der Betrieb über ein durch den Arduino geschaltetes Relay erforderlich (siehe Seite Impulsmessung, Messwertverarbeitung mit Arduino).
Ansaugrohr mit Filterhalterung:
Das Rohr mit Filterhalterungen dient zur reproduzierbaren Fixierung des Filters über dem Detektor. Die Befestigung am Detektor- Verstärkermodul ist bereits beschrieben worden. Ich habe ein Messingrohr mit Innendurchmesser von 5 mm verwendet. Die Gestaltung ergibt sich aus der Geometrie des Gehäuses. Die Herausforderung dabei ist, einen Bogen zu gestalten, der gewährleistet, dass das Ende des Rohres möglichst parallel zur Stirnseite des Gehäuses und zentral über der PIN-Diode befestigt werden kann. Ich habe dazu in der Länge passende Stücke mit 45° Gehrung geschnitten und zusammengelötet. Dabei muss die Lötung natürlich die Luftdichtheit gewährleisten. Eine Dichtigkeitsprobe kann man ganz einfach analog zum Test eines Fahrradschlauchs durchführen.
Bild: Messingrohr zur Luftansaugung
Filter:
Der Filter sollte vom Typ Glasfaserfilter sein und oberflächennahe Abscheidungen mit >95% Abscheidegrad gewährleisten. Ich verwende dafür den Typ MN 85/90 mit einem Abscheidegrad von >98%. Dieser Filtertyp ist z.B. von Omnilab für ca. 15 € erhältlich (100 Stck., Durchmesser 25 mm; kleinere Verpackungseinheiten sind wahrscheinlich nicht erhältlich).
Alternative:
Ich habe zu Testzwecken ein Mal einen Filter aus einer Filtertüte Brigitta Nr. 2 verwendet. Das Ergebnis war überraschend:
Die Effektivität des Kaffeefilters beträgt zwar etwas weniger als die Hälfte des Referenzmaterials MN 85/90; der genaue Wert war n /n(Ref.) = 0,41, die Reproduzierbarkeit diese Wertes war aber im Rahmen der Bastelversion akzeptabel.
Für erste Messungen kann man folglich durchaus einen Kaffefilter verwenden, wenn man den Korrekturfaktor von ca. 2,44 verwendet. Die zusätzliche (relative) Unsicherheit, die man dann noch berücksichtigen muss beträgt nach meinen Erfahrungen ca. 15%; wobei ich jedoch keine Erfahrungen mit anderen Filtertypen habe. Für genauere Messungen ist es jedoch zu empfehlen, den Filtertyp MN 85/90 einzusetzen.
Die Filter habe ich aus einem größeren Blatt mit einem Locheisen 7 mm ausgestanzt. Ich empfehle, den Filter mit einem zähen Fett (Konsistenz etwa wie Schuhcreme; evtl. geht Lederfett) auf den Rand des Rohres am Ende, das über dem Detektor liegen soll, „anzukleben“. Das ist etwas fummelig:
- vorsichtig den Rand des Rohres mit geringer aber nicht zu geringer Menge bestreichen und
- Filter mit Hand leicht auf dem Rand festdrücken.
Um eine bessere Haftung des Filters auf dem Rand des Rohres zu gewährleisten, kann man den äußeren Durchmesser des Rohres am Rand mit Lötzinn etwas vergrößern.
Das Bauteil muss dann am Verstärkergehäuse angeschraubt werden. Der Filter sollte möglichst zentrisch über der Öffnung der PIN-Diode in einem Abstand von ca. 1 mm liegen. Nun nur noch Pumpe und Rohr mit einem passenden Schlauch verbinden. Die preiswerteste Variante für den Schlauch ist vom Baumarkt als PVC-Schlauch zu beziehen (auch hier auf Dichtheit der Schlauchverbindung achten).
Messung des Luftdurchsatzes
Eine wichtige Voraussetzung für die Berechnung der Messgröße nach Gleichung (1) ist die Messung des Luftdurchsatzes. Kommerziell erhältliche Messgeräte für den Luftdurchsatz, elektronische oder sog. Schwebekörper-Messinstrumente, sind für die angestrebte billige Variante obsolet. Deshalb schlage ich hier eine Bastellösung mit einem Seifenblasen-Strömungsmesser vor. Derartige Messgeräte sind zwar ebenfalls kommerziell erhältlich aber auch sündhaft teuer. Hier mein Vorschlag für eine Bastellösung:
Bild Schema Selbstbau-Variante eines Seifenblasen-Strömungsmessers
Benötigte Materialien:
- Glasrohr (es geht natürlich auch Plexiglas oder jedes andere durchsichtige Material) mit Durchmesser 1,5 bis 3 cm, ca. 20 cm bis 30 cm lang,
- Kupfer oder Messingrohr mit möglichst gleichem Durchmesser wie das Glasrohr
- Kupfer oder Messingrohr für Lufteinlass
- Gummiball oder ähnliches für Seifenlösung (ich habe auch mal einen Luftballon verwendet)
Um den Lufteinlass zu realisieren habe ich ein Stück Messingrohr entsprechend Bild „Schema Selbstbau-Variante eines Seifenblasen-Strömungsmessers“ in ein kurzes Stück Kupferrohr eingelötet und dieses wiederum mit 2-Komponentenkleber am Glasrohr befestigt.
Der zu verwendende Durchmesser für das Glasrohr sollte dem Luftdurchsatz angepasst sein. Beispiel:
Luftdurchsatz 15 l/h=0,25 l/min,
Durchmesser des Glasrohres 12 mm,
Abstand der Markierungen 17,7 cm,
Volumen zwischen den Markierungen = 20 cm^3.
Die Zeit, die die Seifenblase zwischen den Markierungen benötigt ist dann 4,8 s.
Ich möchte hier nicht alle Details beschreiben. Kurz gesagt kommt es darauf an:
- einen Lufteinlass am unteren Ende des Glasrohres zu realisieren,
- unterhalb dieses Lufteinlasses ein flexibles Bauteil anzuschließen, das ermöglicht, durch Drücken die Seifenlösung über den Lufteinsatz zu heben, so dass die vorbeiströmende Luft eine oder auch mehrere Seifenblasen erzeugt, die mit dem Luftstrom im Glasrohr nach oben gedrückt werden und dass
- die Zeit zwischen den 2 Markierungen hinreichend genau gestoppt werden kann, d.h. mehr als 2 Sekunden betragen sollte.
- Der Luftdurchsatz Q ergibt sich aus dem Volumen zwischen den Markierungen V und der ermittelten Zeit t aus
Q=V/t wenn V in cm3 und t in Sekunden dann ist Q in l/min Q=V/t*60/1000
Das Bild zeigt das von mir aufgebaute Teil:
Bild: Strömungsmesser am improvisierten Stativ
Eine Mehrfachmessung ist in jedem Fall zu empfehlen (siehe auch Auswertung der Messungen, Punkt Messunsicherheit).
Der von mir geschilderte Aufbau ist nur ein Beispiel. Der Kreativität sind hier keine Grenzen gesetzt wenn die oben genannten Kriterien eingehalten werden und die Zeit, die eine Seifenblase für ein bestimmtes Volumen benötigt zuverlässig gemessen werden kann.
Messung der Druckdifferenz
Um die Dichtheit des gesamten Ansaugsystems einschätzen zu können, ist es sinnvoll, den Unterdruck vor dem Filter zu messen. Das kann man leicht mit einem U-Rohr mit Wasserfüllung wie auf dem Bild gezeigt realisieren. Das U-Rohr kann kann aus einem transparenten Schlauch gebastelt werden. Einzelheiten sollen hier nicht weiter diskutiert werden.
Bild: Eigenbau eines U-Rohrmanometers
Ich habe bei einem Luftdurchsatz von 0,25 l/min einen Unterdruck von 65 mm Wassersäule (WS) , entspricht ca. 650 Pa gemessen, beim Kaffeefilter lag dieser bei ca. 90 mmWS.
Diese Werte können als grobe Orientierung für die Einschätzung der Dichtheit des Systems dienen.
Bild: Einbau des Strömungsmessers und U-Rohrmanometers in das System zur Messung des Luftdurchsatzes.
Die Messung des Luftdurchsatzes ist nur am Anfang und Ende einer Messserie notwendig. Wenn nach einigen Messungen genügend Erfahrungen über die Änderungen des Luftdurchsatzes während der Messung vorliegen, kann man auch auf die regelmäßige Messung verzichten und die beobachtete Variationsbreite bei der Abschätzung der Messunsicherheit berücksichtigen.